3G和4G的技術比較

1、南陽師范學院物理與電子工程學院多媒體通信課程論文題目：完成人：班級：學號：專業(yè)：摘要1前言1第1章3G11.1 3G移動通信系統(tǒng)的概念11.2 3G的技術標準11.3 3G向4G演化的原因2第2章4G32.1 4G移動通信系統(tǒng)的概念32.2 4G的特征32.3 4G的關鍵技術指標4第3章3G與4G的比較43.1 系統(tǒng)參數(shù)的比較43.2 通信格局的變化53.3 核心技術的不同63.4 4G中的新技術6結束語7參考文獻73G和4G的技術比較摘要：在移動通信領域，每20年就發(fā)生一次革命性的變化。移動通信技術從第一代演進到現(xiàn)今的第三代，以及處于實驗階段的第四代移動通信的發(fā)展大致經(jīng)歷三個發(fā)展階段。移動通

2、信已然成為當代通信領域發(fā)展?jié)摿ψ畲蟆⑹袌銮熬白顝V的熱點技術。本文首先討論了3G以及3G中的三大技術主流制式，并在3G到4G的演進進程做出簡要的比較分析。第四代移動通信系統(tǒng)（4G）是多種無線技術的綜合系統(tǒng)，它融合了現(xiàn)有第三代移動系統(tǒng)（3G）的增強型技術,集3G網(wǎng)絡技術和無線LAN系統(tǒng)為一體。在4G的敘述中，首先簡述了4G的特點，分析討論了4G通信系統(tǒng)的技術目標及關鍵技術的發(fā)展現(xiàn)狀，然后對4G和3G的體系結構、系統(tǒng)參數(shù)、關鍵技術、移動性管理和安全策略等進行了比較研究，對4G的研究和建設具有一定的參考價值。關鍵詞：3G;4G;關鍵技術；比較前言從20世紀80年代中期第一代模擬移動通信系統(tǒng)商用開始至今

3、，短短的十幾年間經(jīng)歷了90年代初第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)（2G）從萌芽到完善的整個發(fā)展過程，直至今天人們對第三代移動通信系統(tǒng)（3G）的商用開發(fā)，足以證明移動通信的發(fā)展速度勢不可擋。3G的出現(xiàn)使移動通信前進了一大步，相對于2G,它能夠提供更大的容量、更佳的通信質量并且支持多媒體應用。但是3G系統(tǒng)尚有很多需要改進的地方，例如：（1）缺乏全球統(tǒng)一標準；（2）所采用的語音交換架構仍承襲了第二代（2G）的電路交換，而不是純IP方式；（3）流媒體（視頻）的應用不盡人意；（4）數(shù)據(jù)傳輸率也只接近于普通撥號接入的水平，更趕不上xDSL等。3G面臨的致命缺點就是移動無線接入網(wǎng)絡的空中接口標準不統(tǒng)一。所以，制定一個

4、針對IP多媒體業(yè)務的4G移動通信系統(tǒng)，提出相關新的理論，應用新的技術，已被許多國家提上議事日程。相對于3G而言，第四代移動通信系統(tǒng)（4G）在技術和應用上將有質的飛躍，而不僅僅是在第三代移動通信的基礎上再加上某些新的改進技術。第1章3G1.1 3G移動通信系統(tǒng)的概念3G（3rdGeneration）指第三代移動通信技術，與前兩代系統(tǒng)相比，第三代移動通信系統(tǒng)的主要特征是可提供豐富多彩的移動多媒體業(yè)務，其傳輸速率在高速移動環(huán)境中支持144kb/s,步行慢速移動環(huán)境中支持384kb/s,靜止狀態(tài)下支持2Mb/s。其設計目標是為了提供比第二代系統(tǒng)更大的系統(tǒng)容量、更好的通信質量，而且要能在全球范圍內(nèi)更好地

5、實現(xiàn)無縫漫游及為用戶提供包括話音、數(shù)據(jù)及多媒體等在內(nèi)的多種業(yè)務，同時也要考慮與已有第二代系統(tǒng)的良好兼容性。目前國際電聯(lián)接受的3G標準主要有以下三種：WCDMACDMA2000TTD-SCDMA1.2 3G的技術標準1.2.1 MC-CDMA(CDMA2000MC-CDMACDMA2000由美國提出，是由IS-95系統(tǒng)演進而來的，并向下兼容IS-95系統(tǒng),IS-95系統(tǒng)是世界上最早的CDM驅動系統(tǒng)，已經(jīng)在世界范圍內(nèi)進行了10多年的實驗和運營，現(xiàn)已被證明是十分穩(wěn)定。MC-CDMACDMA2000系統(tǒng)繼承了IS-95系統(tǒng)在組網(wǎng)、系統(tǒng)優(yōu)化方面的經(jīng)驗，并進一步對業(yè)務速率進行了擴展，同時通過引入一些先進的

6、無線技術，進一步提升系統(tǒng)容量。在核心網(wǎng)絡方面，它繼續(xù)使用IS-95系統(tǒng)的核心網(wǎng)作為其電路域來處理電路型業(yè)務，如語音業(yè)務和電路型數(shù)據(jù)業(yè)務，同時在系統(tǒng)中增加分組設備(PDSrf口PCF來處理分組數(shù)據(jù)業(yè)務。因此在建設MC-CDMACDMA2000系統(tǒng)時，原有的IS-95的網(wǎng)絡設備可以繼續(xù)使用，只要新增加分組設備即可。在基站方面，由于IS-95與1X的兼容性，可以作到僅更新信道板并將系統(tǒng)升級為CDMA2000-1XB占。在我國，聯(lián)通公司在其CDMAI絡建設中就采用了這種升級方案。1.2.2 DS-CDMA(WCDMADS-CDMAWCDMAS日本和歐洲提出，隨著標準化工作的展開，在此系統(tǒng)中逐漸引入了連

7、續(xù)導引信號，使得終端系統(tǒng)得到簡化?，F(xiàn)在DS-CDMAWCDMA等連續(xù)導引信道和不連續(xù)導引信號的方式都保留在標準中，具體使用哪種方式可以由廠家自行決定。從事DS-CDMAWCDMA標準研究和設備開發(fā)的廠商很多，其中包括諾基亞、摩托羅拉、西門子、NEC阿爾卡特等等，因此造成的投資比較分散，技術問題沒有得到集中解決，這又給未來移動通信系統(tǒng)互聯(lián)互通造成較多問題。DS-CDMAWCDM粽統(tǒng)每個載波占用5MHzt寬，每個運營商在布置系統(tǒng)時僅能使用2-3個載波，因此CDMAE初始設計時，即考慮在同一個載波內(nèi)支持其中的一個子集，這就進一步增加了互聯(lián)互通的難度和復雜程度。還有就是DS-CDMAWCDMA勺主要運

8、營商將會出自現(xiàn)在的GSM!營商，對于GSM!營商來說，理想的演進方式是GSM-GPRS-WCDM峭先通過GPRS建立全新的分組域核心網(wǎng)絡，再引入WCDMA高速率，但是由于GPRSS近期的實驗結果不很好，因此對WCDMA推廣會產(chǎn)生一定影響。同時由于WCDMA開發(fā)中問題較多，使得WCDMA的商用計劃一再推遲，所有這些問題使WCDMA不像前兩年那樣被廣泛看好。如果WCDMA能盡快進入運營階段，也不能排除GS限營商直接采用HDR5線技術提供分組數(shù)據(jù)業(yè)務，并過渡到全面使用CDMA200慢術的可能。1.2.3 TD-SCDMATD-SCDMA由我國在SCDM技術上提出的一種TDDg術方案，并希望能夠用于支

9、持從微微蜂窩到宏蜂窩的各種應用環(huán)境。在TD-SCDMA,使用了大量的先進技術，如智能天線技術和聯(lián)合檢測技術等。同其它技術相比，TD-SCDM技術有兩大優(yōu)勢，其一，它采用智能天線和低碼速率，頻譜利用率高，能夠解決高人口密度地區(qū)頻率資源緊張的問題，并在互聯(lián)網(wǎng)瀏覽等非對成移動數(shù)據(jù)和視頻點播等多媒體業(yè)務方面優(yōu)勢突出。TD-SCDMA基站天線是一個智能化的天線陣，能夠自動確定并跟蹤手機的方位，發(fā)射波束始終對準手機方向，這樣可以降低基站的發(fā)射功率，從而降低運營成本；其二，TD-SCDM技術采用軟件無線電技術，可使運營商在增加業(yè)務時，能在同一硬件平臺上利用軟件處理基站信號，也就是只要加載不同的軟件就可以實現(xiàn)

10、不同的業(yè)務。1.3 3G向4G演化的原因經(jīng)ITU認可的3G標準有WCDMACDMA2000口TASCDMA雖然3G和2G相比，有很多優(yōu)點，但是3G還是存在著很多不盡人意的地方，如：3G缺乏全球統(tǒng)一的標準；3G所采用的語音交換架構仍承襲了2G系統(tǒng)的電路交換，而不是純IP的方式；3G的業(yè)務提供和業(yè)務管理不夠靈活；流媒體(視頻)的應用不盡如人意；3G的高速數(shù)據(jù)傳輸不成熟，接入速率有限；安全方面存在算法過多、認證協(xié)議容易被攻山-等安全缺陷田。伴隨著無線技術的種類越來越多，迫切需要將這些無線技術整合到一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡環(huán)境中去，這就是正在形成的超三代移動通信系統(tǒng)(B3G)通信系統(tǒng)和未來的4G通信系統(tǒng)。B3G

11、ffi4G通信系統(tǒng)將是未來提供寬帶接人，全球無縫漫游和無處不在的數(shù)據(jù)，語音業(yè)務等方嚼的最合適和最好的技術圓。第2章4G2.1 4G移動通信系統(tǒng)的概念4G也稱為Beyond3G(B3G),是多種無線技術的綜合系統(tǒng)。它融合了現(xiàn)有3G的增強型技術，集3G網(wǎng)絡技術和無線LAN系統(tǒng)為一體。4G包含很多目前正在使用以及今后即將使用的無線技術。這里所說的無線技術不僅指利用新頻帶和新技術的新一代移動通信，還包括現(xiàn)行的移動通信(2G及3G),IEEE802.11等無線LAN以及藍牙等近距離通信技術，此外還把數(shù)字廣播電視納入視野。4G除了繼續(xù)依賴3G標準組織已發(fā)展的多項新技術和標準(如OFDMMIMOIP核心網(wǎng)、

12、開發(fā)業(yè)務架構及IPv6等)并加以延伸外，其規(guī)劃還必須滿足整體系統(tǒng)架構能夠由3G平滑演進到4G的要求。2.2 4G的特征(1)通信速度更快：4G通信的特征莫過于它具有更快的無線通信速度，可以達到10M20Mbps,最高可以達到100Mbps(2)網(wǎng)絡頻譜更寬：要想使4G通信達到100Mbps的傳輸速度，必須在3G通信網(wǎng)絡的基礎上進行大幅度的改造，以便使4G網(wǎng)絡在通信帶寬上比3G網(wǎng)絡的帶寬高出許多。據(jù)研究，每個4G信道將占有100MHz勺頻譜，相當于W-CDMA3慟絡的20倍。(3)兼容性能更平滑:4G通信系統(tǒng)具備全球漫游、接口開放、能跟多種網(wǎng)絡互聯(lián)、終端多樣化以及能從2G平穩(wěn)過渡等特點。(4)能

13、實現(xiàn)更高質量的多媒體通信:4G通信提供的無線多媒體通信服務將包括語音、數(shù)據(jù)、影像等,大量信息透過寬頻的信道傳送出去，為此4G也稱為“多媒體移動通信”。(5)通信費用更加便宜:4G通信系統(tǒng)不僅能解決與3G的兼容性問題，讓更多的現(xiàn)有通信用戶能輕易升級到4G通信，同時,4G還引入了許多尖端通信技術，實現(xiàn)起來要容易迅速得多。在建設4G通信網(wǎng)絡系統(tǒng)時，通信運營商們考慮直接在3G通信網(wǎng)絡的基礎設施之上，采用逐步引入的方法，有效地降低運營成本3o2.3 4G的關鍵技術指標2.3.1 OFDM(正交頻分復用)OFDMft術實際上是MCM(Multi-CarrierModulation,多載波調(diào)制)的一種。其主

14、要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾(ICI)o每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。OFD眼術之所以越來越受關注，是因為OFDMT很多獨特的優(yōu)點：（1）頻譜利用率很高，頻譜效率比串行系統(tǒng)高近一倍；（2）抗衰落能力強；（3）適合高速數(shù)據(jù)傳輸；（4）抗碼問干擾（ISI）能力強。OFDMt有其缺點，例如：對頻偏和相位噪

15、聲比較敏感。功率峰值與均值比（PAPR大，導致射頻放大器的功率效率較低。負載算法和自適應調(diào)制技術會增加系統(tǒng)復雜度。2.3.2 軟件無線電所謂軟件無線電（SoftwareDefinedRadio,簡稱SDR,就是采用數(shù)字信號處理技術，在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來定義實現(xiàn)無線電臺的各部分功能：包括前端接收、中頻處理以及信號的基帶處理等。即整個無線電臺從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全部由軟件編程來完成。其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶的數(shù)字/模擬”轉換器，盡早地完成信號的數(shù)字化，從而使得無線電臺的功能盡可能地用軟件來定義和實現(xiàn)。總之，軟件無線電是一種基于數(shù)字信號處理（DSP

16、）芯片，以軟件為核心的嶄新的無線通信體系結構。軟件無線電有以下一些特點：靈活性；集中性；模塊化。2.3.3 智能天線智能天線定義為波束間沒有切換的多波束或自適應陣列天線。多波束天線在一個扇區(qū)中使用多個固定波束，而在自適應陣列中，多個天線的接收信號被加權并且合成在一起使信噪比達到最大。與固定波束天線相比，天線陣列的優(yōu)點是除了提供高的天線增益外，還能提供相應倍數(shù)的分集增益。但是它們要求每個天線有一個接收機，還能提供相應倍數(shù)的分集增益智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤以及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等智能功能，其基本工作原理是根據(jù)信號來波的方向自適應地調(diào)整方向圖，跟蹤強信號，減少或抵消干擾信號。智能天線可以提高信噪

17、比，提升系統(tǒng)通信質量，緩解無線通信日益發(fā)展與頻譜資源不足的矛盾，降低系統(tǒng)整體造價，因此其勢必會成為4G系統(tǒng)的關鍵技術。智能天線的核心是智能的算法，而算法決定電路實現(xiàn)的復雜程度和瞬時響應速率，因此需要選擇較好算法實現(xiàn)波束的智能控制。2.3.4 IPv64G通信系統(tǒng)選擇了采用基于IP的全分組的方式傳送數(shù)據(jù)流，因此IPv6技術將成為下一代網(wǎng)絡的核心協(xié)議。選擇IPv6協(xié)議主要基于以下幾點的考慮：（1）巨大的地址空間；（2）自動控制；（3）服務質量（QoS；（4）移動性。2.3.5 多輸入多輸出（MIMO泯術MIMO（MultipleInputMultipleOutput）技術是近年來熱門的無線通訊技術

18、之一。4G系統(tǒng)采用了MIMOJ術，即在基站端放置多個天線，在移動臺也放置多個天線，基站和移動臺之問形成MIM0通信鏈路。MIMC技術呵以比較簡單地直接應用于傳統(tǒng)蜂窩移動通信系統(tǒng)，將基站的單天線換為多個天線構成的天線陣列。而GSMCI）MAIS-95、3G系統(tǒng)中都沒有采用這種技術?，F(xiàn)有移動通信系統(tǒng)中，多數(shù)基站的天線采用一發(fā)兩收的結構。對比分析這兩種技術，MIMO系統(tǒng)有以下優(yōu)點：降低了碼問下擾（ISU）;提高了空間分集增益；提高無線信道容量和頻譜利用率；大幅提高資料的傳輸速率；提高信道的可靠性，降低誤碼率。第3章3G與4G的比較3.1 系統(tǒng)參數(shù)的比較見下表一3G4G開始時間20022012典型標準

19、WCDMA,CDMA2000,TD-SCDMAOFDM,UWB頻帶范圍1.82.5GHz28GHz市竟25Mbps1020MHz多址技術CDMAFDMA,TDMA,CDMA,SDI核心網(wǎng)絡電信網(wǎng)，部分IP網(wǎng)全IP網(wǎng)業(yè)務類型話音為主,部分多媒體話音和數(shù)據(jù)融合，多媒體網(wǎng)絡體系結構基站方式的廣域網(wǎng)模式融合局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的混合模式數(shù)據(jù)速率2Mbps20100Mbps接入方式W-CDMAOFDMMC-CDMALAS-CDMA交換方式電路/分組交換分組交換前向糾錯碼1/2,1/3卷積碼級連碼模塊設計無線優(yōu)化設計，采用多載波適配器智能天線，軟件無線電協(xié)議多種空中接口鏈路協(xié)議并存全數(shù)字全IP移動臺速率200k

20、m/h200km/h表13G和4G系統(tǒng)參數(shù)比較3.2 通信格局的變化3G的網(wǎng)絡是嚴格的分層結構，一般包括核心網(wǎng)、接入網(wǎng)和用戶設備三部分。核心網(wǎng)負責中央交換、數(shù)據(jù)傳輸及業(yè)務提供，分為電路網(wǎng)和分組網(wǎng)兩個服務區(qū)域。接入網(wǎng)負責移動用戶接入到核心網(wǎng)中。3G中可采用不同的接入網(wǎng)與同一核心網(wǎng)相連，即支持多種空中鏈路協(xié)議。用戶設備即用于獲取服務的移動終端，具通過標準無線接口與接入網(wǎng)相連。它的工作模式為3種:單載波頻分雙工、多載波頻分雙工和時分雙工方式。時分享工圖13G移動通信系統(tǒng)4G將采用單一的全球范圍的蜂窩核心網(wǎng)來取代3G中密密麻麻的蜂窩網(wǎng)絡，具采用全數(shù)字全IP技術。這是從網(wǎng)絡內(nèi)智能化及網(wǎng)絡邊緣智能化向全網(wǎng)

21、智能化的發(fā)展。核心網(wǎng)能夠支持不同的接入方式，如IEEE802.11a、WCDMABluetooth、HyperLAN等，同時每個用戶設備擁有唯一可識別的號碼，通過分層結構實現(xiàn)異構系統(tǒng)間的互操作。這種結構使得多種業(yè)務能透明地與IP核心網(wǎng)連接，具有較好的通用性和可擴展性。4G網(wǎng)絡結構如圖2所示4:InternetPSTN/1SDN多媒體人系磋、_一14d贏隹人聞|Ad嬴而圖24G移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖4G無線接入網(wǎng)3.3 核心技術的不同3G系統(tǒng)主要以CDMAfe核心技術。CDMA1將相互正交的不同的碼分配給不同用戶調(diào)制信號，實現(xiàn)多用戶同時使用同一頻率接入系統(tǒng)。由于利用相互正交(或盡可能正交)的碼去

22、調(diào)制信號,會將原用戶信號頻譜帶寬擴展，因此CDMA!信系統(tǒng)是一種典型的擴頻通信技術的應用。4G系統(tǒng)的核心技術OFDMS于多載波調(diào)制(MCM),它將指配的信道分成許多正交子信道,在每個子信道上進行窄帶調(diào)制和傳輸，同時要求信號帶寬小于信道的相關帶寬。OFDMf一般的頻分復用的主要差別在于它的不同載波的頻譜可以相互交疊，因此可以得到最佳的頻譜利用率，同時，接收端只要采用正交解調(diào)的方法就可以恢復出有用的信息信號。OFD或術具有良好的抗噪聲性能和抗多徑干擾的能力，以及頻譜利用率高的特點5o3.4 4G中的新技術4G系統(tǒng)技術有兩個基本目標：一是實現(xiàn)無線通信全球覆蓋，二是提供無縫的高質量無線業(yè)務。為了達到這

23、個目標，需要在下列幾個方面做出努力：頻譜的高效使用、帶寬的動態(tài)分配、安全的無線應用、更高的服務質量、高性能的信號調(diào)制傳輸技術。因此、4G系統(tǒng)使用了許多新技術，包括超鏈接(ultra2connectivity)和特定無線網(wǎng)絡技術、動態(tài)自適應網(wǎng)絡技術、智能頻譜動態(tài)分配技術以及軟件無線電技術等等。超鏈接技術可以使來自不同網(wǎng)絡的信號與動態(tài)自適應網(wǎng)絡進行無縫連接。它的實現(xiàn)需要無線網(wǎng)絡能夠與其他無線網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡進行無縫的操作，并高效使用無線資源等。特定無線網(wǎng)絡是通信和計算機網(wǎng)絡領域的研究熱點，它又稱多跳網(wǎng)絡(multi-hopnetwork)、自組織網(wǎng)絡(self2organizednetwork)、分組無線網(wǎng)絡(packetra2dionetwork)或者MANET絡。與傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡相比，特定無線網(wǎng)絡沒有基站，所有節(jié)點分布式運行，既有路由器的路由功能，又有向鄰居節(jié)點發(fā)射或轉發(fā)分組的功能。特定無線網(wǎng)絡由于不需要固定的基礎設施(如基站)，可以隨時建立或拆除；它不受拓撲結構的影響，具有很強的容錯性和魯棒性，可以廣泛地應用于軍事行動、災難救援、快速無線